OPTYMALIZACJA KONSTRUKCJI WZMOCNIEŃ ELEMENTÓW NOŚNYCH MASZYN I URZĄDZEŃ

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 2008 Seria: TRANSPORT z. 64 Nr kol Maciej BOLDYS OPTYMALIZACJA KONSTRUKCJI WZMOCNIEŃ ELEMENTÓW NOŚNYCH MASZYN I URZĄDZEŃ Streszczenie. W pracy przedstawiono możliwości zwiększenia wytrzymałości konstrukcji nośnych maszyn i pojazdów. Określono wpływ rozwiązań konstrukcyjnych i zastosowanych materiałów na wytrzymałość oraz nośność węzłów konstrukcyjnych. Badaniom i symulacjom numerycznym poddano różne aplikacje profili zimnogiętych C i Ω w postaci wzmocnień pionowo-poziomych. CONSTRUCTION OPTIMIZATION OF THE STRENGTHENING OF BEARING ELEMENTS OF MACHINES AND INSTALLATIONS Summary. In work there were presented strength increase possibilities of loadbearing structure of machines and vehicles. It was determined an effect of constructional solutions and used material on strength and capacity of constructional nodes. There were put on tests and numerical simulations various applications of cold-formed shapes C and Ω in the form of vertical-horizontal strengthening. 1. WSTĘP Od nowoczesnych pojazdów i urządzeń wymaga się spełnienia szeregu cech, takich jak: wysoka wytrzymałość konstrukcji, wysoka stateczności konstrukcji, spełnienie rygorystycznych norm bezpieczeństwa, zmniejszenie masy. Spełnienie powyższych cech wymaga modyfikacji konstrukcji, czego dokonać można poprzez (rys. 1): 1) optymalizację rozwiązań newralgicznych węzłów, 2) modyfikację gatunku stosowanych materiałów, 3) zastosowanie obu metod wspólnie. Rys. 1. Schemat optymalizacji konstrukcji Fig. 1. Diagram of construction optimization

2 78 M. Boldys Przedstawiona praca ma wykazać korzyści płynące z zastosowania alternatywnych rozwiązań węzłów konstrukcyjnych oraz z wprowadzenia do konstrukcji nowoczesnych stali wysoko wytrzymałych. W tym celu przeprowadzono badania i ich analizę z zastosowaniem MES. Badaniom poddano cztery warianty wykonania tego samego węzła konstrukcyjnego przy zastosowaniu dwóch alternatywnych materiałów konstrukcyjnych: stali niestopowej oraz stali wysokowytrzymałej. Obiektami badań były elementy nośne wykorzystywane w konstrukcjach magazynów (rys. 2). Podobne rozwiązania konstrukcyjne wykorzystywane są w konstrukcjach poszyć przestrzeni ładunkowych pojazdów użytkowych (rys. 3 i 4) jak również w konstrukcjach kontenerów towarowych. Rys. 2. Konstrukcja wzmocnień magazynów Fig. 2. Strengthening construction of magazines Rys. 3. Konstrukcja poszycia naczepy Fig. 3. Panelling construction of semi-trailer Rys. 4. Konstrukcja poszycia podłogi przestrzeni ładunkowej Fig. 4. Floor plating-construction of cargo space Rozpatrywane wzmocnienia przenoszą zarówno siły pionowe, jak i poziome. W wyniku złożonego stanu obciążeń newralgicznym węzłem konstrukcyjnym w rozpatrywanych wzmocnieniach są łączenia słupów pionowych z poziomymi poprzeczkami (rys. 5). W miejscach tych występuje nieciągłość, która przyczynia się w sposób bezpośredni do zmniejszenia nośności konstrukcji oraz powodowuje zmniejszanie współczynnika bezpieczeństwa. Rys. 5. Newralgiczne węzły konstrukcyjne badanych wzmocnień Fig. 5. Neuralgic construction-nodes of tested strengthening

3 Optymalizacja konstrukcji wzmocnień BADANIA Celem badań było określenie nośności wzmocnień stosownych w budowie pojazdów i maszyn. Obiektami badań były cztery typy wzmocnień (rys. 6-9), wykonane z zimnogiętych kształtowników typu C i Ω. Elementy były połączone ze sobą za pomocą złącz śrubowych. Pomiędzy słupami pionowymi umocowane były poszycia wykonane z arkuszy blach, ze stali niestopowej S355JR z powłoką galwaniczną. Właściwości mechaniczne zastosowanego gatunku stali przedstawiono w tablicy 1. Podstawowe wymiary wzmocnień przedstawiono w tablicy 2. Rys. 6. Wzmocnienie Rys. 7. Wzmocnienie pierwsze (WZ1)- drugie (WZ2)- widok widok Fig. 6. First strengthening Fig. 7. Second (WZI) a view strengthening (WZI) a view Rys. 8. Wzmocnienie trzecie (WZ3)- widok Fig. 8. Third strengthening (WZI) a view Rys. 9. Wzmocnienie czwarte (WZ4)- widok Fig. 9. Fourth strengthening (WZI) a view Własności stali S355JR Tablica 1 Własności materiału Granica Wytrzymałość na Moduł Gatunek stali plastyczności, R e, MPa rozciąganie, R m, MPa Wydłużenie, A 10, % Moduł Younga E, GPa Poissona ν S355JR ,27 Podstawowe wymiary badanych wzmocnień Wymiary, mm Powierzchnie przekrojów, mm 2 Tablica 2 Minimalne pole Typ wzmocnienia Wysokość, H Szerokość, B Szerokość poprzeczna, L Maksymalne pole przekroju, P max przekroju, P min WZ WZ , WZ * 1038 WZ * 1038 *-Maksymalne pole przekroju występuje w miejscu połączeń słupów i poprzeczek.

4 80 M. Boldys Próby ściskania wzmocnień przeprowadzono dla czterech typów wzmocnień (rys ) i trzykrotnie powtórzono w celu określenia wartości średnich. Uzyskane wykresy siły w funkcji czasu pokazano na rysunkach Maksymalne wartości siły Fmax dla różnych typów wzmocnień zebrano w tablicy 3. Rys. 10. Próba ściskania wzmocnienia WZ1 Fig. 10. Compression test of strengthening WZ1 Rys. 11. Próba ściskania wzmocnienia WZ2 Fig. 11. Compression test of strengthening WZ2 Rys. 12. Próba ściskania wzmocnienia WZ3 Fig. 12. Compression test of strengthening WZ3 Rys. 13. Próba ściskania wzmocnienia WZ4 Fig. 13. Compression test of strengthening WZ4 Rys. 14. Zależność siły w funkcji czasu dla WZ1 Fig. 14. Force dependence in time function for WZI Rys. 15. Zależność siły w funkcji czasu dla WZ2 Fig. 15. Force dependence in time function for WZ2

5 Optymalizacja konstrukcji wzmocnień 81 Rys. 16. Zależność siły w funkcji czasu dla WZ3 Fig. 16. Force dependence in time function for WZ3 Rys. 17. Zależność siły w funkcji czasu dla WZ4 Fig. 17. Force dependence in time function for WZ4 Typ wzmocnienia Wyniki badań nośności wzmocnień Siła maksymalna Fmax, kn Wartość Próba 1 Próba 2 Próba 3 średnia WZ WZ WZ WZ Uwagi Złamanie w połowie wysokości Złamanie w połowie wysokości Złamanie w połowie wysokości Złamanie w dolnej części wzmocnienia Tablica 3 3. SYMULACJE Celem symulacji z zastosowaniem MES było określenie wpływu materiału konstrukcyjnego na nośność wzmocnień. Do obliczeń numerycznych przyjęto modele odpowiadające wcześniej opisanym wzmocnieniom. Jako materiał konstrukcyjny przyjęto dwufazową stal wysokowytrzymałą gatunku LITEC 800DP, o własnościach mechanicznych podanych w tablicy 4. Własności stali LITEC 800DP Tablica 4 Gatunek stali Granica plastyczności, R p0,2, MPa Wytrzymałość na rozciąganie, R m, MPa Własności materiału Wydłużenie, A 80, % Moduł Younga E, GPa Moduł Poissona ν LITEC 800 DP ,3

6 82 M. Boldys Przyjęty model obciążenia i utwierdzenia pokazano na rysunku 18. W trakcie symulacji model obciążano maksymalną siłą, która nie powodowała przekroczenia wytrzymałości na rozciąganie Rm. W tablicy 5 przedstawiono ilość elementów skończonych i węzłów wygenerowanych w trakcie symulacji. Tablica 5 Właściwości modeli wzmocnień Model wzmocnienia Ilość elementów skończonych Ilość węzłów WZ WZ WZ WZ Rys. 18. Model obciążenia i utwierdzenia Fig. 18. Load and restrain model. Przeprowadzone symulacje umożliwiły określenie wartości zmiany nośności wzmocnień przy zastosowaniu alternatywnego materiału konstrukcyjnego, jakim jest stal wysokowytrzymała gatunku LITEC 800DP zamiast S355JR. Wyniki symulacji przedstawione zostały na rysunkach Rys. 19. Wzmocnienie WZ1: naprężenia główne. Fig. 19. WZ1 strengthening: principal stress Rys. 20. Wzmocnienie WZ1: naprężenia główne w środku wzmocnienia Fig. 20. WZ1 strengthening: principal stress in the middle of the strengthening Rys. 21. Wzmocnienie WZ1: przemieszczenia Fig. 21. WZ1 strengthening: displacements Rys. 22. Wzmocnienie WZ1: odkształcenia Fig. 22. WZI strengthening: strains

7 Optymalizacja konstrukcji wzmocnień 83 Rys. 23. Wzmocnienie WZ2: naprężenia główne. Fig. 23. WZ2 strengthening: principal stress Rys. 24. Wzmocnienie WZ2: naprężenia główne w środku wzmocnienia Fig. 24. WZ2 strengthening: principal stress in the middle of the strengthening Rys. 25. Wzmocnienie WZ2: przemieszczenia Fig. 25. WZ2 strengthening: displacements Rys. 26. Wzmocnienie WZ2: odkształcenia Fig. 26. WZ2 strengthening: strains Rys. 27. Wzmocnienie WZ3: naprężenia główne Fig. 27. WZ3 strengthening: principal stress Rys. 28. Wzmocnienie WZ3: naprężenia główne w środku wzmocnienia Fig. 28. WZ3 strengthening: principal stress in the middle of the strengthening Rys. 29. Wzmocnienie WZ3: przemieszczenia Fig. 29. WZ3 strengthening: displacements Rys. 30. Wzmocnienie WZ3: odkształcenia Fig. 30. WZ3 strengthening: strains Rys. 31. Wzmocnienie WZ4: naprężenia główne Fig. 31. WZ4 strengthening: principal stress Rys. 32. Wzmocnienie WZ4: naprężenia główne w środku wzmocnienia Fig. 32. WZ4 strengthening: principal stress in the middle of the strengthening Rys. 33. Wzmocnienie WZ4: przemieszczenia Fig. 33. WZ4 strengthening: displacements Rys. 34. Wzmocnienie WZ4: odkształcenia Fig. 34. WZ4 strengthening: strains

8 84 M. Boldys Wyniki badań eksperymentalnych i symulacji numerycznych zestawiono w tablicy 6. Określono także wzrost nośności wzmocnienia po zastosowaniu w ich konstrukcji stali wysokowytrzymałej. Wzmocnienie Porównanie nośności badanych wzmocnień Maksymalna siła niszcząca, kn Stal Stal niestopowa S355 wysokowytrzymała (badania LITEC 800DP eksperymentalne) (symulacje numeryczne) Tablica 6 Zmiana wartości siły, % WZ WZ WZ WZ WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych badań eksperymentalnych i symulacji numerycznych sformułowano następujące wnioski: Zastosowanie zimnogiętych kształtowników typu C i Ω w konstrukcjach nośnych umożliwia uzyskanie wysokiej wytrzymałości wzmocnień. Wszystkie połączenia śrubowe powinny być dokręcone z właściwym momentem obrotowym. W przeciwnym razie występuje gwałtowny spadek nośności wzmocnienia poprzez poślizg poszczególnych elementów konstrukcyjnych. Zastosowanie profili typu C (WZ1) umożliwia uzyskanie największych nośności wzmocnień. W przypadku wzmocnień wykonanych z profili C (WZ1) odnotowano najmniejszy (2%) wzrost wytrzymałości po zastosowaniu stali wysokowytrzymałej. Największy wzrost nośności (17%) przy zastosowaniu stali wysokowytrzymałej odnotowano w przypadku wzmocnienia WZ2, wykonanego z profili typu Ω. Konstrukcje wykonane jako zamknięte (WZ3 i WZ4) nie wykazały zwiększenia wytrzymałości. Fakt ten spowodowany był większą ilością otworów i złącz śrubowych. Wzmocnienia z otwartym węzłem konstrukcyjnym (WZ1 i WZ2) charakteryzowały się bardzo gwałtownym zmniejszeniem nośności po przekroczeniu wartości granicznych. Elementy wykonane jako zamknięte (WZ3 i WZ4) po przekroczeniu wartości granicznych odznaczały się większą statecznością. Zastosowanie stali wysokowytrzymałej gatunku LITEC 800DP umożliwi uzyskanie wyższych własności wytrzymałościowych wzmocnień w porównaniu do wzmocnień wykonanych ze stali S355JR. Wartość pola przekroju nie ma wpływu na nośność badanych wzmocnień. Większy wpływ mają sposoby połączeń elementów i typy zastosowanych kształtowników. Praca badawcza wykonana w ramach BW-511/RT2/2008 Recenzent: Dr hab. inż. Eugeniusz Hadasik